第4-数控机床的机械结构.pptx
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1、 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1 1第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 数控机床的总体布局数控机床的总体布局4.3 4.3 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统4.4 4.4 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统4.5 4.5 数控机床的导轨数控机床的导轨4.6 4.6 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置4.7 4.7 数控机床的回转工作台数控机床的回转工作台 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2 2一台小型立式加工中心的外形图一台小型立
2、式加工中心的外形图 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术3 3数控机床本体的组成数控机床本体的组成:其中,机床基础件机床基础件、主传动系统主传动系统、进给系统进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件,其他部件则按数控机床的功能和需要选用。(1)主传动系统:实现主运动,使刀具(或工件)产生主切削运动(2)进给系统:实现进给运动,使工件(或刀具)产生进给运动并实现定位(3)机床基础件指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件,并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置(4)实现
3、某些部件动作和某些辅助功能的装置如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置(5)实现工件回转、分度定位的装置和附件(6)刀库、刀架和自动换刀装置(7)自动托盘交换装置(8)特殊功能装置如刀具破损检测、精度检测和监控装置等 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术4 44.1 4.1 概概 述述(Introduction)(Introduction)从本质上说,数控机床与普通机床一样,也是一种经从本质上说,数控机床与普通机床一样,也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。近年过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。近年来,来,随着电主轴、直线电
4、机等新技术、新产品在数控机床随着电主轴、直线电机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用上的推广应用,数控机床的机械结构正在发生重大的变化;,数控机床的机械结构正在发生重大的变化;虚拟轴机床的出现和实用化,使传统的机床结构面临着更虚拟轴机床的出现和实用化,使传统的机床结构面临着更严峻的挑战。严峻的挑战。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术5 54.1 4.1 概概 述述(Introduction)(Introduction)结构简单、操作方便、自动化程度高。结构简单、操作方便、自动化程度高。4.1.1 4.1.1 数控机床机械结构的主要特点数控机床机械结构的主要
5、特点1)伺服进给系统代替普通机床的进给系统;2)主轴调速系统实现主轴自动变速;3)在操作上,它不像普通机床那样,需要操作者通过手柄进行调整和变速,操作机构比普通机床要简单多;4)由于数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助技能(M技能)进行控制,因此,常用的操作按钮也较普通机床少。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术6 6广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品1)数控机床进行的是高速、高精度加工,在简化机械结构的同时,对于机械传动装置和元件也提出了更高的要求;2)特别是随着新材料,新工艺的普及、应用,高
6、速加工已经成为目前数控机床的发展方向之一。具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件1)“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化、柔性加工的基本要求,也是数控机床最显著的特点和当前的发展方向;2)自动换刀装置(ATC)、动力刀架、自动换屑装置、自动润滑装置等特殊机械部件是必不可少,有的机床还带有自动工作台交换装置(APC);3)工件的自动装卸、自动定位,刀具的自动对刀、破损检测、寿命管理,工件的自动测量和自动补偿功能上;第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术7 7静压导轨 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术
7、数控技术8 8对机械结构、零部件的要求高对机械结构、零部件的要求高1)对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高;2)为了提高加工效率,充分发挥机床性能,数控机床通常都能够同时进行粗细加工。这就要求机床既能满足大切削量的粗加工对机床的刚度、强度和抗震性的要求,而且也能达到精密加工机床对机床精度的要求;3)数控机床的主轴电机的功率一般比同规格的普通机床大,主要部件和基础件的加工精度通常比普通机床高,对组成机床各部件的动、静态性能以及热稳定性的精度保持性也提出了更高的要求。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术9 94.1.2 4.1.2 数控机床对机械结构的
8、基本要求数控机床对机械结构的基本要求具有较高的静、动刚度和良好的抗振性具有较高的静、动刚度和良好的抗振性1)机床的刚度反映了机床机构抵抗变形的能力;2)为了满足数控机床高效、高精度、高可靠性以及自动化的要求,与普通机床相比,数控机床应具有更高的精刚度;3)此外,为了充分发挥机床的效率,加大切削用量,还必须提高机床的抗震性,避免切削时产生的共振和颤振。而提高机构的动刚度是提高机床抗震性的基本途径。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1010具有良好的热稳定性具有良好的热稳定性1)机床的热变性是影响机床加工精度的主要因素之一;2)在数控机床上还应采取必要的措施,尽
9、可能减小机床的热变性。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1111具有较高的运动精度与良好的低速稳定性具有较高的运动精度与良好的低速稳定性1)利用伺服系统代替普通机床的进给系统是数控机床的主要特点;2)这就要求进给系统具有较高的运动精度,良好的跟踪性能和低速稳定性,才能对数控系统的位置指令做出准确的响应,从而得到要求的定位精度;3)传动装置的间隙直接影响着机床的定位精度,虽然在数控系统中可以通过间隙补偿、单向定位等措施减小这一影响,但不能完全消除;4)特别是对于非均匀间隙,必须机械消除间隙措施,才能得到较好的解决。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机
10、械结构 数控技术数控技术1212具有良好的操作、安全防护性能具有良好的操作、安全防护性能1)在大部分数控机床上,刀具和工件的装卸、刀具和夹具的调整、还需要操作者完成,机床的维修更离不开人,而且由于加工效率的提高,数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁,因此良好的操作性能是数控机床设计时必须的问题;2)数控机床是一种高度自动化的加工设备,动作复杂,高速运动部件较多,对机床动作互锁、安全防护性能的要求也比普通机床要高很多;3)同时,数控机床一般都有高压、大流量的冷却系统,为了防止切屑、冷却液的飞溅,数控机床通常都应采用封闭和半封闭的防护形式,增加防护性能。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机
11、床的机械结构 数控技术数控技术13134.1.3 4.1.3 提高数控机床性能的措施提高数控机床性能的措施合理选择数控机床的总体布局合理选择数控机床的总体布局1)在数控机床上采用斜床身布局,可以改善受力情况,提高床身的刚度,提高操作性能;2)卧式数控镗床采用T形床身,框架结构双立柱、立柱移动式(Z)布局,可以减少机床的机构层次,大大提高机床结构刚度和加工精度,精度的稳定性好,热变性的影响小;3)在高速加工机床上,则通过采用固定门式立柱、“箱中箱”等特殊的布局型式,以最大限度地降低运动部件的质量,提高机床部件的快进速度和加速度,以满足高速加工的需要。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机
12、械结构 数控技术数控技术1414提高结构件的刚度提高结构件的刚度1)改善机械部分构件;2)合理设计截面、布置筋板;3)利用平衡机构补偿部件变形;3)改善构件间的连接形式;4)缩短传动链,适当加大传动轴,对轴承和滚珠丝杠等传动部件进行预紧等等。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1515提高机床抗振性提高机床抗振性1)对机床高速转旋转部件,特别是主轴部件进行动平衡,对传动部件进行消隙处理,减少机床激振力;2)提高机械部件的静态刚度和固有频率,避免共振,在机床结构大件中充填阻尼材料,在大件表面喷涂阻尼涂层抑制振动等。改善机床的热变形改善机床的热变形1)采用伺服电动
13、机和主轴电动机、变量泵等低能耗执行元件,减少热量的产生;2)简化传动系统的结构,减少传动齿轮、传动轴,采用低摩擦系数的导轨和轴承,减少摩擦发热;3)改善散热条件、增加隔热措施、对发热部件(如:电柜、丝杆、油箱等)进行强制冷却,吸收热量,避免温升;4)采用对称结构设计,使部件均匀受热;对切削部分采用高压、大流量冷却系统冷却等等。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1616保证运动的精度和稳定性保证运动的精度和稳定性1)减小运动部件的质量,采用低摩擦系数的导轨和轴承以及滚珠丝杆副、静压导轨、直线滚动导轨、塑料滑动导轨等高效执行部件,可以减少系统的摩擦阻力,提高运动
14、精度,避免低速爬行;2)缩短传动链,对传动部件进行消隙,对轴承和滚珠丝杠进行预紧,可以减消机械系统的间隙和非线性影响,提高机床的运动精度和稳定性。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1717|数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式|卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的常用布卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的常用布局形式局形式|立式数控镗铣床(立式加工中心)的常用布立式数控镗铣床(立式加工中心)的常用布局形式局形式|数控机床交换工作台的布局数控机床交换工作台的布局|高速加工数控机床的特殊布局高速加工数控机床的特殊布局|虚拟轴机床虚拟轴机床4.2 4.2 数控机床
15、的总体布局数控机床的总体布局 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术18184.2.1 4.2.1 数控车床的常用布局形式数控车床的常用布局形式 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术1919数控车床常用的布局型式有平床身、斜床身和立式床身三种 一般经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床,大都采用平床身;床身工艺性好,便于导轨面的加工,下部空间小,故排屑困难,刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2020性能要求较高的中、小规格数控车床采用斜床身(有的机
16、床是用平床身斜滑板);斜床身布局的数控车床(导轨倾斜角度斜床身布局的数控车床(导轨倾斜角度通常选择通常选择4545、6060或或7575),不仅可以在同),不仅可以在同等条件下,等条件下,改善受力改善受力情况,而且还可通过整情况,而且还可通过整体封闭式截面设计,提高床身的刚度,特别体封闭式截面设计,提高床身的刚度,特别是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、是自动换刀装置的布置较方便。而平床身、立式床身布局的机床受结构的局限,布置比立式床身布局的机床受结构的局限,布置比较困难,限制了机床性能。因此,较困难,限制了机床性能。因此,斜床身布斜床身布局的数控车床应用比较广泛。局的数控车床应用比较广泛。
17、第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2121 大型数控车床或精密数控车床采用立式床身 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2222在其他方面则三种布局方式各具特点:当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时,当主轴箱因发热使主轴轴线产生热变位时,斜床身的影响最小斜床身的影响最小;斜床身、立式床身因排屑性能好,受切屑产生的热量影响也小。斜床身、立式床身因排屑性能好,受切屑产生的热量影响也小。斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便斜床身的观察角度最好、工件的调整比较方便,平床身有刀架的影响,平床身有刀架的影响,加上滑板突出前方,观察、
18、调整较困难。但是,在大型工件和刀具的装卸方面,加上滑板突出前方,观察、调整较困难。但是,在大型工件和刀具的装卸方面,平床身因其敞开面宽,起吊容易,装卸比较方便平床身因其敞开面宽,起吊容易,装卸比较方便。立式床身因切屑可以自由落立式床身因切屑可以自由落下,排屑性能最好,导轨防护也较容易下,排屑性能最好,导轨防护也较容易。在防护罩的设计上,。在防护罩的设计上,斜床身和立式床斜床身和立式床身结构较简单,安装也比较方便身结构较简单,安装也比较方便;而平床身则需要三面封闭,结构较复杂,制;而平床身则需要三面封闭,结构较复杂,制造成本较高。造成本较高。(1 1)热稳定性:)热稳定性:(2 2)运动精度:)
19、运动精度:(3 3)加工制造)加工制造 :(4 4)操作、防护、排屑性能)操作、防护、排屑性能 :平床身布局平床身布局由于刀架水平布置,不受刀架、滑板自重的影响,由于刀架水平布置,不受刀架、滑板自重的影响,容容易提高定位精度易提高定位精度;立式床身受自重的影响最大,有时需要加平衡;立式床身受自重的影响最大,有时需要加平衡机构消除;斜床身介于两者之间机构消除;斜床身介于两者之间平床身的加工工艺性较好平床身的加工工艺性较好,部件精度较容易保证。另外,平床身机,部件精度较容易保证。另外,平床身机床工件重量产生的变形方向竖直向下,它和刀具运动方向垂直,对床工件重量产生的变形方向竖直向下,它和刀具运动方
20、向垂直,对加工精度的影响较小;立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向,加工精度的影响较小;立式床身产生的变形方向正好沿着运动方向,对精度影响最大;斜床身介于两者之间。对精度影响最大;斜床身介于两者之间。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术23234.2.24.2.2 卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的常用布局型式卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的常用布局型式 卧式数控镗铣床(卧式加工中心)的布局形式种类较多,其主要区别在于立柱的结构形式和X、Z坐标轴的移动方式上(Y轴移动方式无区别);常用的立柱有:单立柱、框架结构双立柱 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床
21、的机械结构 数控技术数控技术2424Z Z坐标轴的移动方式为坐标轴的移动方式为工作台移动式工作台移动式单立柱单立柱图图a a所示的结构形式和传统的卧式镗所示的结构形式和传统的卧式镗床相同,多见于早期的数控机床或床相同,多见于早期的数控机床或数控化改造的机床;数控化改造的机床;第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2525框架结构双立柱框架结构双立柱Z Z坐标轴的移动方式为坐标轴的移动方式为工作台移动式工作台移动式图图b b所示的采用了框架结构双立柱、所示的采用了框架结构双立柱、Z Z轴工作台移动式布局,为中、小规格轴工作台移动式布局,为中、小规格卧式数控机床常用
22、的结构形式卧式数控机床常用的结构形式 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2626Z Z坐标轴的移动方式为坐标轴的移动方式为立柱移动式立柱移动式图图c c所示的采用了所示的采用了T T形床身、框架结形床身、框架结构双立柱、立柱移动式(构双立柱、立柱移动式(Z Z轴)布局,轴)布局,为卧式数控机床典型结构为卧式数控机床典型结构 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2727 框架结构双立柱框架结构双立柱采用了对称结构,主轴箱在两立柱中间上、下运动,与传采用了对称结构,主轴箱在两立柱中间上、下运动,与传统的主轴箱侧挂式结构相比,统的
23、主轴箱侧挂式结构相比,大大提高了结构刚度大大提高了结构刚度。另外,主轴箱是从左、右。另外,主轴箱是从左、右两导轨的内侧进行定位,热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上,因两导轨的内侧进行定位,热变形产生的主轴轴线变位被限制在垂直方向上,因此,可以通过对此,可以通过对Y Y轴的补偿,轴的补偿,减小热变形减小热变形的影响。的影响。T T形床身布局形床身布局可以使工作台沿床身做可以使工作台沿床身做X X方向移动时,在全行程范围内,工作方向移动时,在全行程范围内,工作台和工件完全支承在床身上,因此,台和工件完全支承在床身上,因此,机床刚性好,工作台承载能力强,加工精机床刚性好,工作台承载能力强,加
24、工精度容易得到保证度容易得到保证。而且,这种结构可以很方便地增加。而且,这种结构可以很方便地增加X X轴行程,便于机床品种轴行程,便于机床品种的系列化、零部件的通用化和标准化。的系列化、零部件的通用化和标准化。立柱移动式立柱移动式结构的优点是:结构的优点是:Z Z轴的移动在后床身上进行,轴的移动在后床身上进行,进给力与轴向切削进给力与轴向切削力在同一平面内,承受的扭曲力小,镗孔和铣削精度高力在同一平面内,承受的扭曲力小,镗孔和铣削精度高。此外,由于。此外,由于Z Z轴的导轴的导轨的承重是固定不变的轨的承重是固定不变的,它不随工件重量改变而改变,因此有利于提高,它不随工件重量改变而改变,因此有利
25、于提高Z Z轴的轴的定位精度和精度的稳定性。但是,由于定位精度和精度的稳定性。但是,由于Z Z轴承载较重,对提高轴承载较重,对提高Z Z轴的快速性不利,轴的快速性不利,这是其不足之处。这是其不足之处。第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 数控技术数控技术2828 为了提高数控机床的加工效率,在卧式加工中心上经常采用双交换工作台,进行工件的自动交换,以进一步缩短辅助加工时间,提高机床效率。如图所示是两种常见的双交换工作台布局型式。移动式双交换工作台布局图,用于工作台移动式卧式加工中心回转式双交换工作台布局图,用于立柱移动式卧式加工中心 第第4 4章章 数控机床的机械结构数控机床的
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